Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp

Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Chương 8 MẠCH KHUẾCH ÐẠI HỒI TIẾP (Feedback Amplifier) Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về loại mạch khuếch đại có hồi tiếp âm và khảo sát ảnh hưởng của loại hồi tiếp này lên các thông số cũng như tính chất của mạch khuếch đại. 8.1 PHÂN LOẠI MẠCH KHUẾCH ÐẠI: Khi khảo sát các mạch khuếch đại có hồi tiếp, người ta thường phân chúng thành 4 loại mạch chính: khuếch đại điện thế, khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện dẫn truyền và khuếch đại điện trở truyền. 8.1.1 Khuếch đại điện thế:( Voltage amplifier ) Hình 8.1 mô tả mạch tương đương Thevenin của một hệ thống 2 cổng, mô hình hóa của một mạch khuếch đại căn bản. - Nếu mạch có điện trở ngõ vào Ri rất lớn đối với nội trở RS của nguồn tín hiệu thì vi ≈ vs - Nếu tải RL rất lớn đối với điện trở ngõ ra R0 của mạch khuếch đại thì v0 ≈ AVNL.vi ≈ AVNL.vS Trong điều kiện như vậy, mạch sẽ cung cấp một điện thế ngõ ra tỉ lệ với điện thế ngõ vào và hệ số tỉ lệ này độc lập đối với biên độ của nguồn tín hiệu và điện trở tải. Loại mạch như thế được gọi là mạch khuếch đại điện thế. Một mạch khuếch đại điện thế lý tưởng khi có điện trở ngõ vào Ri bằng vô hạn và điện trở ngõ ra R0 = 0. Ký hiệu khi RL =∞, như vậy AVNL biểu diễn độ lợi điện thế của mạch hở (open-circuit). 8.1.2 Khuếch đại dòng điện (current amplifier) Một mạch khuếch đại dòng điện lý tưởng được định nghĩa như là một mạch khuếch đại cung cấp một dòng điện ngõ ra tỉ lệ với dòng điện tín hiệu ngõ vào. Hệ số tỉ lệ này không phụ thuộc vào RS và RL. Một mạch khuếch đại dòng điện lý tưởng có điện trở ngõ vào Ri = 0 và điện trở ngõ ra R0 bằng vô hạn. Trương Văn Tám VIII-1 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Trong thực tế, mạch có điện trở ngõ vào thấp và diện trở ngõ ra cao. Như vậy, Ri << RS và R0>> RL. Hình 8.2 là mạch tương đương Norton của một mạch khuếch đại dòng điện. Chú ý, ký hiệu với RL = 0, nó diễn tả độ lợi dòng điện của một mạch nối tắt (short-circuit). Ta thấy rằng: Vì Ri << RS nên Ii ≈ IS Vì R0 >> RL nên IL ( AiIi ≈ AíIS) 8.1.3 Khuếch đại điện dẫn truyền: (Transconductance Amplifier) Một mạch khuếch đại điện dẫn truyền lý tưởng sẽ cung cấp một dòng điện ngõ ra tỉ lệ với điện thế tín hiệu ngõ vào. Hệ số tỉ lệ này độc lập với RL và RS. Mạch như vậy phải có điện trở ngõ vào Ri bằng vô hạn và điện trở ngõ ra R0 bằng vô hạn. Trong mạch thực tế: Ri >> RS và R0 >> RL Hình 8.3 là mô hình tương đương của một mạch khuếch đại điện dẫn truyền. Ta thấy rằng vi ≈ vS khi Ri >> RS Và I0 ≈ Gmvi ≈ GmvS khi R0 >> RL Trương Văn Tám VIII-2 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.1.4 Khuếch đại điện trở truyền (Transresistance Amplifier) Mạch tương đương lý tưởng của một mạch khuếch đại điện trở truyền như hình 8.4 Mạch cung cấp một điện thế ngõ ra v0 tỉ lệ với dòng điện tín hiệu ngõ vào IS và hệ số tỉ lệ này độc lập với RS và RL. Trong thực tế một mạch khuếch đại điện trở truyền phải có Ri << RS và R0 << RL. Như vậy khi đó Ii ≈ IS, v0≈ RmIi ≈ RmIS. 8.2 ÐẠI CƯƠNG VỀ HỒI TIẾP: Một mạch khuếch đại hồi tiếp gồm các bộ phận như sau: Trương Văn Tám VIII-3 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Nguồn tín hiệu: Có thể là nguồn điện thế VS nối tiếp với một nội trở RS hay nguồn dòng điện IS song song với nội trở RS. Hệ thống hồi tiếp: Thường dùng là một hệ thống 2 cổng thụ động (chỉ chứa các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây). Mạch lấy mẫu: Lấy một phần tín hiệu ở ngõ ra đưa vào hệ thống hồi tiếp. Trường hợp tín hiệu điện thế ở ngõ ra được lấy mẫu thì hệ thống hồi tiếp được mắc song song với ngõ ra và trong trường hợp tín hiệu dòng điện ở ngõ ra được lấy mẫu thì hệ thống hồi tiếp được mắc nối tiếp với ngõ ra. Mạch so sánh hoặc trộn: Hai loại mạch trộn rất thông dụng là loại trộn ngõ vào nối tiếp và loại trộn ngõ vào song song. Trương Văn Tám VIII-4 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Tỉ số truyền hay độ lợi: Ký hiệu A trong hình 8.5 biểu thị tỉ số giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu ngõ vào của mạch khuếch đại căn bản. Tỉ số truyền v/vi là độ khuếch đại điện thế hay độ lợi điện thế AV. Tương tự tỉ số truyền I/Ii là độ khuếch đại dòng điện hay độ lợi dòng điện AI của mạch khuếch đại. Tỉ số I/vi được gọi là điện dẫn truyền (độ truyền dẫn-Transconductance) GM và v/Ii được gọi là điện trở truyền RM. Như vậy GM và RM được định nghĩa như là tỉ số giữa hai tín hiệu, một ở dạng dòng điện và một ở dạng điện thế. Ðộ lợi truyền A chỉ một cách tổng quát một trong các đại lượng AV, AI, GM, RM của một mạch khuếch đại không có hồi tiếp tùy theo mô hình hóa được sử dụng trong việc phân giải. Ký hiệu Af được định nghĩa như là tỉ số giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu ngõ vào của mạch khuếch đại hình 8.5 và được gọi là độ lợi truyền của mạch khuếch đại với hồi tiếp. Vậy thì Af dùng để diễn tả một trong 4 tỉ số: Sự liên hệ giữa độ lợi truyền Af và độ lợi A của mạch khuếch đại căn bản (chưa có hồi tiếp) sẽ được tìm hiểu trong phần sau. Trong một mạch có hồi tiếp, nếu tín hiệu ngõ ra gia tăng tạo ra thành phần tín hiệu hồi tiếp đưa về ngõ vào làm cho tín hiệu ngõ ra giảm trở lại ta nói đó là mạch hồi tiếp âm (negative feedback). 8.3 ÐỘ LỢI TRUYỀN VỚI NỐI TIẾP: Một mạch khuếch đại có hồi tiếp có thể được diễn tả một cách tổng quát như hình 8.10 Trương Văn Tám VIII-5 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Ðể phân giải một mạch khuếch đại có hồi tiếp, ta có thể thay thế thành phần tích cực (BJT, FET, OP-AMP ...) bằng mạch tương đương tín hiệu nhỏ. Sau đó dùng định luật Kirchhoff để lập các phương trình liên hệ. Trong mạch hình 8.10 có thể là một mạch khuếch đại điện thế, khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện dẫn truyền hoặc khuếch đại điện trở truyền có hồi tiếp như được diễn tả ở hình 8.11 Hình 8.11 Dạng mạch khuếch đại hồi tiếp (a) Khuếch đại điện thế với hồi tiếp điện thế nối tiếp (b) Khuếch đại điện dẫn truyền với hồi tiếp dòng điện nối tiếp (c) Khuếch đại dòng điện với hồi tiếp dòng điện song song (d) Khuếch đại điện trở truyền với hồi tiếp điện thế song song Trong hình 8.10, nội trở nguồn RS được xem như một thành phần của mạch khuếch đại căn bản. Ðộ lợi truyền A (AV, AI, GM, RM) bao gồm hiệu ứng của tải RL và của hệ thống hồi tiếp β lên mạch khuếch đại. Tín hiệu vào XS, tín hiệu ra X0, tín hiệu hồi tiếp Xf, tín hiệu trừ Xd có thể là điện thế hay dòng điện. Những tín hiệu này cũng như tỉ số A và β được tóm tắt trong bảng sau đây. Trương Văn Tám VIII-6 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Như vậy: Xd = XS - Xf = Xi (8.1) Hệ số hồi tiếp β được định nghĩa: Hệ số β thường là một số thực dương hay âm, nhưng một cách tổng quát β là một hàm phức theo tần số tín hiệu. Ðộ lợi truyền A được định nghĩa: A = X0 /Xi (8.3) Trương Văn Tám VIII-7 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Ðại lượng A biểu diễn độ lợi truyền của mạch khuếch đại tương ứng không có hồi tiếp nhưng bao gồm ảnh hưởng của hệ thốngβ, RL, RS. Nếu |Af| < |A| hồi tiếp được gọi là hồi tiếp âm Nếu |Af| > |A| hồi tiếp được gọi là hồi tiếp dương Biểu thức 8.4 cho ta thấy khi có hồI tiếp âm,độ lợI giảm đi(1+βA) lần so với độ lợi của mạch căn bản không có hồi tiếp. Ðộ lợi vòng (loop gain): Tín hiệu Xd trong hình 8.10 được nhân với A khi qua mạch khuếch đại, được nhân với β khi truyền qua hệ thống hồi tiếp và được nhân với -1 trong mạch trộn và trở lại ngõ vào. Vì vậy T = -βA được gọi là độ lợi vòng và đại lượng F = 1 + βA = 1 - T được gọi là thừa số hồi tiếp. Người ta thường dùng đại lượng để biểu diễn ảnh hưởng của lượng hồi tiếp lên mạch khuếch đại. Nếu là hồi tiếp âm thì N < 0. 8.4 TÍNH CHẤT CĂN BẢN CỦA MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÓ HỒI TIẾP ÂM: Trong mạch khuếch đại hồi tiếp âm làm giảm độ lợi truyền nhưng lại có một số ưu điểm nổi bật nên được ứng dụng rộng rãi. 8.4.1 Giữ vững độ khuếch đại: Thông số của BJT hay FET không phải là một hằng số mà chúng thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ, ngay cả các thông số này cũng không giống nhau khi thay thế từ một mẫu này sang một mẫu khác. Do đó, khi nhiệt độ thay đổi hay khi thay thế linh kiện tác động độ lợi A của mạch sẽ thay đổi. Khi có hồi tiếp: Trương Văn Tám VIII-8 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Vậy khi mạch có hồi tiếp, khi độ lợi A của mạch không có hồi tiếp thay đổi thì độ lợi của toàn mạch (có hồi tiếp) thay đổi nhỏ hơn (1+βA) lần. Trong trường hợp |βA| >> 1 thì: Nghĩa là mạch khuếch đại sau khi thực hiện hồi tiếp âm độ lợi chỉ còn tùy thuộc vào hệ số hồi tiếp mà thôi. Thông thường hệ số hồi tiếp β có thể được xác định bởi các thành phần thụ động không liên hệ với transistor nên độ lợi của mạch sẽ được giữ vững. 8.4.2 Giảm sự biến dạng: Biến dạng gồm có biến dạng tần số do sự khuếch đại không đồng đều ở các tần số và biến dạng phi tuyến do đặc tính không tuyến tính của BJT và FET làm phát sinh hài (harmonic signal) chồng lên tín hiệu được khuếch đại làm biến dạng tín hiệu ngõ ra. Như vậy ở ngõ ra ngoài thành phần tín hiệu vào được khuếch đại còn có một thành phần nhiễu xuất phát từ sự biến dạng của mạch, ta đặt là D. Tín hiệu ngõ ra: X0 = AXi + D Khi có hồi tiếp âm, nếu ta giữ Xi không đổi thì tín hiệu ra giảm vì độ lợi Af < A. Nhưng vì sự biến dạng tỉ lệ với Af nên cũng giảm theo. Khi có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại A vẫn cho thành phần biến dạng D nhưng ở ngõ ra của mạch toàn phần sự biến dạng bây giờ chỉ còn là Df Vậy nhiễu cũng giảm đi 1+βA lần khi có hồi tiếp âm. 8.4.3 Gia tăng dải tần hoạt động: Ðộ lợi truyền của các mạch khuếch đại thường là một hàm số theo tần số (xem lại chương đáp tuyến tần số). - Ở tần số cao ta có: Trong đó Am là độ lợi của mạch ở tần số giữa fH là tần số cắt cao Nếu mạch có hồi tiếp âm thì độ lợi truyền bây giờ là Af Trương Văn Tám VIII-9 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Như vậy khi thực hiện hồi tiếp âm, tần số cắt cao tăng thêm (1+βAm) lần. Tương tự ở tần số thấp: với fL là tần số cắt thấp của mạch khuếch đại căn bản không có hồi tiếp. Dùng cách phân giải tương tự ta cũng tìm được: Ðể ý là trong âm thanh fH >> fL nên độ rộng băng tần thường được xem như gần bằng fH hay fHf. 8.5 ÐIỆN TRỞ NGÕ VÀO: Bây giờ ta xét ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên tổng trở vào của mạch khuếch đại. - Nếu tín hiệu hồi tiếp đưa về ngõ vào là điện thế và nối tiếp với điện thế ngõ vào (hình 8.11a và hình 8.11b) thì tổng trở vào sẽ tăng. Trương Văn Tám VIII-10 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Vì điện thế hồi tiếp vf ngược chiều với vS nên dòng điện vào Ii nhỏ hơn khi mạch chưa có hồi - Nếu tín hiệu hồi tiếp đưa về ngõ vào là dòng điện và mắc song song với tín hiệu dòng điện ngõ vào (hình 8.11c và 8.11d) thì tổng trở vào sẽ giảm. Vì Ii = IS - If nên Ii (với một giá trị xác định của If) sẽ nhỏ hơn khi chưa có hồi tiếp âm. Các đặc tính của 4 loại mạch hồi tiếp âm được tóm tắt ở bảng 8.2 Trương Văn Tám VIII-11 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.5.1 Mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp: Dạng mạch hình 8.11a được vẽ lại trong hình 8.14 với mạch khuếch đại được thay thế bằng mạch tương đương Thevenin. Trong mạch AVNL diễn tả độ lợi điện thế của mạch hở (không tải) nhưng xem RS như một thành phần của mạch khuếch đại. i iivii i oii s s if Lo LVNL i o I I.RβAIR I βv.IR I vR RR .RAAv v vÑaët +=+==⇒ +== Rif=Ri(1+βAv) >RiVậy: Trong đó: AVNL độ lợi điện thế của mạch hở không hồi tiếp AV độ lợi điện thế của mạch không có hồi tiếp và có RL Như vậy: AVNL = lim AV (8.14) RL→∞ 8.5.2 Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp: Dạng mạch mẫu hình 8.11b được vẽ lại trong hình 8.15 Trương Văn Tám VIII-12 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Và Gm = limGM RL→0 Trong đó: Gm là điện dẫn truyền của mạch nối tắt (RL = 0) GM là điện dẫn truyền của mạch không có hồi tiếp nhưng có tải. 8.5.3 Mạch hồi tiếp dòng điện song song: Dạng mạch mẫu hình 8.11c được vẽ lại trong hình 8.16 với mạch khuếch đại được thay thế bằng mạch tương đương Norton. Trong mạch này Ai biểu thị dòng điện của mạch nối tắt (RL = 0) với nội trở nguồn RS được xem như một thành phần của mạch khuếch đại. Trương Văn Tám VIII-13 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.5.4 Mạch hồi tiếp điện thế song song: Dạng mạch mẫu hình 8.11d được vẽ lại trong hình 8.17 - Trương Văn Tám VIII-14 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Chú ý: Rm là điện trở truyền của mạch hở (RL = ∞) RM là điện trở truyền của mạch không có hồi tiếp nhưng có tải RL Do đó: Rm = lim RM RM→∞ 8.6 ÐIỆN TRỞ NGÕ RA: Bây giờ ta xét ảnh hưởng của hồi tiếp âm lên điện trở ngõ ra của mạch khuếch đại. - Nếu tín hiệu hồi tiếp âm lấy mẫu điện thế để đưa về ngõ vào thì điện trở ngõ ra của mạch sẽ giảm (Rof<<R0). - Nếu tín hiệu hồi tiếp âm lấy mẫu dòng điện để đưa về ngõ vào thì điện trở ngõ ra của mạch sẽ tăng (Rof>>R0). 8.6.1 Mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp: Chúng ta đi tìm điện trở ngõ ra Rof cuả mạch có hồi tiếp nhưng chưa mắc tải RL vào. Ðể tìm Rof, ta nối tắt nguồn ngõ vào (vS = 0, IS = 0) và để hở tải (RL = ∞). Ðưa một nguồn giả tưởng v vào 2 đầu của ngõ ra, tính dòng điện I chạy vào mạch tạo ra bởi v. Ðiện trở ngõ ra được định nghĩa: Chú ý là R0 chia cho thừa số hồi tiếp 1+βAVNL ( chứ không phải AV), trong đó AVNL là độ lợi điện thế của mạch không có hồi tiếp và hở (RL = ∞). Khi đưa tải RL vào mạch, điện trở ngõ ra của mạch hồi tiếp bây giờ là R’of = RL //Rof. Trương Văn Tám VIII-15 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Chú ý là bây giờ R’0 chia cho thừa số hồi tiếp 1+βAV, trong đó AV là độ lợi điện thế của mạch không có hồi tiếp nhưng có tải RL. 8.6.2 Mạch hồi tiếp điện thế song song: Xem lại hình 8.17. Ngắt nguồn ngõ vào (IS = 0) và cho hở tải (RL =∞) Rm: Ðộ lợi điện trở truyền của mạch không hồi tiếp và không tải. Khi mắc tải RL vào ta có: Trương Văn Tám VIII-16 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.6.3 Mạch hồi tiếp dòng điện song song: Xem hình 8.16 với v0 = v với Ai là độ lợi dòng điện của mạch nối tắt (RL = 0). Khi mắc RL vào: Trương Văn Tám VIII-17 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.6.4 Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp: Xem hình 8.15 với vS = 0, RL = ∞. Dùng cách tính tương tự như các phần trên ta tìm được: Ðặc tính và thông số của mạch khuếch đại hồi tiếp được tóm tắt trong bảng 8.3. Chú ý Gm là điện dẫn truyền của mạch không có hồi tiếp nối tắt (RL=0) còn GM là khi có tải. Trương Văn Tám VIII-18 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Bảng 8.3 Phân tích mạch khuếch đại hồi tiếp 8.7 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÓ HỒI TIẾP: Bước đầu tiên trong việc phân giải là nhận dạng loại mạch hồi tiếp. Mạch vòng ngõ vào (input loop) được xác định là nơi đưa tín hiệu điện thế vào vS: giữa cực nền-phát ở BJT, cực cổng-nguồn ở FET, 2 ngõ vào ở mạch khuếch đại visai... Việc trộn hoặc so sánh được nhận dạng là hồi tiếp nếu trong mạch vào có một bộ phận mạch γ mắc nối tiếp với vS và nếu γ được nối với ngõ ra. Trong trường hợp này điện thế ngang qua γ là tín hiệu hồi tiếp Xf = vf (hình 8.11a và hình 8.11b). Nếu điều kiện trộn nối tiếp không thỏa, chúng ta phải thử dạng trộn song song. Nút ngõ vào (input node) được xác định như là: Cực nền B của BJT đầu tiên, cực cổng G của FET đầu tiên, ngõ vào đảo của mạch khuếch đại visai hay op-amp. Trong trường hợp này nguồn tín hiệu Norton được dùng trong đó tín hiệu dòng điện IS đi vào nút vào. Việc trộn được nhận dạng là song song nếu có thành phần nối giữa nút vào và mạch ngõ ra. Dòng điện trong thành phần nối này là tín hiệu hồi tiếp Xf = If (hình 8.11c và 8.11d). Tóm lại, vì Xi = XS - Xf, nên việc trộn là nối tiếp nếu hiệu tín hiệu đưa vào mạch vòng ngõ vào là điện thế và là trộn song song nếu hiệu tín hiệu đưa vào nút ngõ vào là dòng điện. Trương Văn Tám VIII-19 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Ðại lượng ở ngõ ra được lấy mẫu có thể là điện thế hay dòng điện. Nút ngõ ra mà ở đó điện thế ngõ ra v0 lấy ra phải được xác định rõ trong mỗi trường hợp ứng dụng. Ðiện thế v0 thường được lấy ở hai đầu tải RL và I0 là dòng điện chạy qua RL. Ta có thể thử loại lấy mẫu theo 2 bước: 1. Ðặt v0 = 0 (tức RL = 0). Nếu Xf thành 0, tín hiệu lấy mẫu là điện thế. 2. Ðặt I0 = 0 (tức RL = ∞). Nếu Xf thành 0, tín hiệu lấy mẫu là dòng điện. Mạch khuếch đại không có hồi tiếp: Ta phân mạch khuếch đại có hồi tiếp ra làm 2 thành phần: Mạch khuếch đại căn bản A và hệ thống hồi tiếp β. Khi xác định được A và β ta tính được các đặc tính quan trọng của mạch khuếch đại có hồi tiếp. Mạch khuếch đại căn bản không có hồi tiếp (nhưng hệ thống β phải được đưa vào) được xác định bằng cách áp dụng các nguyên tắc sau đây: - Tìm mạch ngõ vào: 1. Ðặt v0 = 0 khi lấy mẫu điện thế (nút ngõ ra nối tắt). 2. Ðặt I0 = 0 khi lấy mẫu dòng điện (mạch vòng ngõ ra hở). - Tìm mạch ngõ ra: 1. Ðặt vi = 0 khi mạch trộn song song (nút ngõ vào nối tắt- không có dòng điện hồi tiếp đi vào ngõ vào). 2. Ðặt Ii = 0 khi mạch trộn nối tiếp (mạch vòng ngõ vào hở-không có điện thế hồi tiếp đưa vào ngõ vào). Các bước phân giải: Tìm Af, Rif, Rof theo các bước sau đây: 1. Nhận dạng loại hồi tiếp. Bước này để xác định Xf và X0 là điện thế hay dòng điện. 2. Về mạch khuếch đại căn bản không có hồi tiếp theo nguyên tắc phần trên. 3. Dùng nguồn tương đương Thevenin nếu Xf là điện thế và dùng nguồn Norton nếu Xf là dòng điện. 4. Thay thành phần tác động bằng mạch tương đương hợp lý (thí dụ thông số h khi ở tần số thấp hay thông số lai ( cho tần số cao). 6. Xác định A bằng định luật Kirchhoff cho mạch tương đương. 7. Từ A, β, tìm được F, Af, Rif, Rof, R’of. 8.8 MẠCH HỒI TIẾP ÐIỆN THẾ NỐI TIẾP: (voltage- series feedback) Hai thí dụ về mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp quen thuộc được khảo sát mẫu là mạch khuếch đại dùng FET với cực thoát chung (source follower) và mạch cực thu chung dùng BJT (Emitter follower). Trương Văn Tám VIII-20 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Một mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp 2 tầng dùng BJT được đưa vào ở mục 8.9. 8.8.1 Mạch source-follower: Mạch được cho ở hình 8.18a. Ðiện trở tải là RL = R. Vì mạch vòng ngõ vào chứa thành phần R được nối với ngõ ra (v0 ngang qua R) nên đây là trường hợp của mạch trộn nối tiếp. Tín hiệu hồi tiếp Xf là điện thế vf ngang qua R. Kiểu lấy mẫu tìm được bằng cách cho v0 = 0 và khi đó vf = 0 nên là kiểu lấy mẫu điện thế. Vì vậy đây là mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp. Hình 8.18 (a) Mạch Source follower (b) Khuếch đại căn bản không hồi tiếp (c) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp Ðể vẽ mạch khuếch đại căn bản ta theo 2 bước: - Tìm mạch vòng ngõ vào bằng cách cho v0 = 0, khi đó vS được đưa thẳng giữa G và S. - Tìm mạch ngõ ra bằng cách cho Ii = 0 (ngõ vào hở). Khi đó R chỉ xuất hiện trong mạch vòng ngõ ra. Ta vẽ được mạch hình 8.18b. Khi thay FET bằng mạch tương đương tín hiệu nhỏ ở tần số thấp ta được mạch hình 8.18c Trương Văn Tám VIII-21 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Và Vì điện trở ngõ vào của FET rất lớn: Ri = ∞ nên Rif =Ri.F= ∞ Ðể xác định điện trở ngõ ra, ta chú ý R = RL 8.8.2 Mạch Emitter follower: Mạch được cho ở hình 8.19a. Tín hiệu hồi tiếp là điện thế vf ngang qua RE và tín hiệu lấy mẫu là v0 ngang qua RE. Như vậy đây là trường hợp của mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp. Ðể vẽ mạch khuếch đại căn bản không hồi tiếp ta tìm mạch ngõ vào bằng cách cho v0 = 0. Vậy vS nối tiếp RS xuất hiện giữa B và E. Ðể tìm mạch ngõ ra ta cho Ii = 0 (mạch vòng ngõ vào hở) vậy RE chỉ xuất hiện ở mạch vòng ngõ ra. Ta vẽ được mạch hình 8.19b. Thay BJT bằng mạch tương đương tín hiệu nhỏ ta được mạch hình 8.19c. Trương Văn Tám VIII-22 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp (b) Mạch khuếch đại căn bản không hồi tiếp (c) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp Trong đó R0 →∞ (nhìn vào nguồn dòng điện) Trương Văn Tám VIII-23 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp 8.9 CẶP HỒI TIẾP ÐIỆN THẾ NỐI TIẾP: Hình 8.20 diễn tả một mạch khuếch đại 2 tầng mắc nối tiếp có độ lợi lần lượt là AV1, AV2. tín hiệu hồi tiếp được lấy từ ngõ ra của tầng thứ 2 qua hệ thống R1, R2 đưa ngược lại tín hiệu ngõ vào vS. Với cách phân tích tương tự như đoạn trước, ta dễ dàng thấy rằng đây là trường hợp của mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp. Ðặc tính chủ yếu như đã thấy là tổng trở vào tăng, tổng trở ra giảm và độ lợi điện thế ổn định. Mạch vào của mạch căn bản được tìm bằng cách cho v0 = 0, Vậy R2 hiện ra song song với R1. Ngõ ra được tìm bằng cách cho Ii = 0 (I’ = 0) Vậy ngõ ra R1 nối tiếp với R2. Ðiện thế hồi tiếp vf ngang qua R1 tỉ lệ với điện thế được lấy mẫu v0 nên: Ta xem mạch cụ thể như hình 8.21 Trong đó: RS = 0, β = 50 Ta thử xác định AVf, Rof, Rif Ðầu tiên ta tính độ lợi toàn mạch khi chưa có hồi tiếp AV = AV1. AV2 Trương Văn Tám VIII-24 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Dùng cách tính phân cực như các chương trước ta sẽ tìm được: re1 # 35Ω re2 # 17Ω βre1 =1.75 k βre2 =850Ω Tải R’L1 là: R’L1 = 10k //47k //33k //850Ω ≠813Ω Từ hình 8.20b ta thấy rằng tải R’L2 của Q2 là Rc2 //(R1+R2) R’L2 = 4.7k //4.8k = 2.37k Cũng từ hình 8.20b, ta thấy tổng trở cực phát của Q1 là RE với: RE = R1 //R2 = 98Ω Ðiện trở ngõ vào của mạch không hồi tiếp: Ri = βre1 +(1+β)RE = 1.75k +(51)(0.098k) = 6.75k Trương Văn Tám VIII-25 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Khi có hồi tiếp: Rif = Ri.F = 121.5k Ðiện trở ngõ ra khi chưa có hồi tiếp: R’0 = R’L2 = 2.37k Ðiện trở ngõ ra khi có hồi tiếp: 8.10 MẠCH HỒI TIẾP DÒNG ÐIỆN NỐI TIẾP Ta xem mạch có hồi tiếp ở hình 8.22. Từ các lý luận của mạch Emitter follower ta thấy rõ là tín hiệu hồi tiếp Xf = vf là điện thế ngang qua điện trở RE và là cách trộn nối tiếp. Ðể thử loại lấy mẫu ta cho v0 = 0 (RL = 0). Việc làm này không tạo cho điện thế vf ngang qua RE trở thành 0v. Như vậy mạch này không lấy mẫu điện thế. Bây giờ nếu cho I0 = 0 (RL = ∞) nghĩa là dòng cực thu bằng 0 nên vf ngang qua RE cũng bằng 0. Vậy mạch lấy mẫu dòng điện ngõ ra. Vậy là mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp. Chú ý là mặc dù dòng điện I0 tỉ lệ với v0 nhưng không thể kết luận là mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp vì nếu điện thế lấy mẫu là v0 thì: và β’ bây giờ là một hàm số của tải RL. Mạch ngõ vào của mạch khuếch đại không hồi tiếp tìm được bằng cách cho I0 bằng 0, RE xuất hiện ở mạch vào. Ðể tìm mạch ngõ ra ta cho Ii = 0 và RE cũng hiện diện ở mạch ngõ ra. Mạch được vẽ lại như hình 8.22b và mạch tương đương theo thông số re như hình 8.22c. Vì điện thế hồi tiếp tỉ lệ với I0 là dòng điện được lấy mẫu nên vf xuất hiện ngang qua RE trong mạch điện ngõ ra (và không phải ngang qua RE trong mạch ngõ vào). Trương Văn Tám VIII-26 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Nếu RE là một điện trở cố định, độ lợi điện dẫn truyền của mạch hồi tiếp rất ổn định. Dòng qua tải được cho bởi: Dòng qua tải như vậy tỉ lệ trực tiếp với điện thế ngõ vào và dòng này chỉ tùy thuộc RE. Một ứng dụng là dùng mạch này làm mạch điều khiển làm lệch chùm tia điện tử trong dao động nghiệm. Ðộ lợi điện thế cho bởi: 8.11 MẠCH KHUẾCH ÐẠI HỒI TIẾP DÒNG ÐIỆN SONG SONG: Hình 8.23 là một mạch dùng 2 transistor liên lạc trực tiếp dùng hồi tiếp từ cực phát của Q2 về cực nền của Q1 qua điện trở R’. Từ các lý luận ở đoạn 8.7 ta thấy mạch trộn song Trương Văn Tám VIII-27 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp song được dùng và tín hiệu hồi tiếp Xf là dòng điện If chạy qua R’ được nối từ nút vào đến mạch ngõ ra. nút vào song song với RS. Ðể xác định loại lấy mẫu, ta cho v0 = 0 (RC2 = 0), điều này không làm giảm I0 và không làm cho dòng qua RE của Q2 xuống 0 và dòng If không giảm xuống 0 vậy mạch này không phải lấy mẫu điện thế. Bây giờ nếu cho I0 = 0 (RC = ∞), dòng If sẽ bằng 0 vậy mạch lấy mẫu dòng điện. Như vậy mạch hình 8.23 là một mạch hồi tiếp dòng điện song song. Bây giờ ta sẽ chứng minh rằng hồi tiếp âm. Ðiện thế vB2 rất lớn đối với vi do Q1 khuếch đại. Cũng vậy, vB2 lệch pha 1800 so với pha của vi. Vì tác động Emitter follower, vE2 thay đổi rất ít so với vB2 và 2 điện thế này cùng pha. Vậy vB2 có biên độ lớn hơn vi (là vB1) và có pha lệch 1800 so với pha của vi. Nếu tín hiệu vào tăng làm cho IS tăng và If cũng tăng và Ii = IS - If sẽ nhỏ hơn trong trường hợp không có hồi tiếp. Tác động này là một đặc tính của mạch hồi tiếp âm. Mạch khuếch đại không có hồi tiếp: Mạch vào của mạch không hồi tiếp tìm được bằng cách cho I0 = 0. Vì dòng IB2 không đáng kể nên cực phát của Q2 xem như hở (IE2 ≈ 0). Kết quả là R’ mắc nối tiếp với RE ở cực nền của Q1. Mạch ngõ ra tìm được bằng cách nối tắt nút ngõ vào (cực nền của Q1). Vậy R’ được xem như mắc song song vói RE tại cực phát của Q2. Vì tín hiệu hồi tiếp là dòng điện, mạch nguồn được vẽ lại bằng nguồn tương đương Norton với IS = vS /RS . Mạch tương đương cuối cùng như sau: Trương Văn Tám VIII-28 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Tín hiệu hồi tiếp là dòng điện If chạy qua điện trở R’ nằm trong mạch ngõ ra. Từ hình 8.24 ta có: Nếu RE, R’, RC2, RS ổn định thì Avf ổn định (độc lập với thông số của BJT, nhiệt độ hay sự dao động của nguồn điện thế vS). 8.12 MẠCH HỒI TIẾP ÐIỆN THẾ SONG SONG: Hình 8.25a là một tầng cực phát chung với điện trở R’ được nối từ ngõ ra trở về ngõ vào. Giống như mạch hình 8.23 ta thấy mạch trộn song song được dùng và Xf là dòng điện If chạy qua R’. Trương Văn Tám VIII-29 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Nếu chúng ta cho v0 = 0, dùng hồi tiếp If sẽ giảm tới 0 chỉ rằng kiểu lấy mẫu điện thế được sử dụng. Vậy mạch này là mạch khuếch đại hồi tiếp điện thế song song. Như thế độ lợi truyền (điện trở truyền) Af = RMf được ổn định và cả hai điện trở ngõ vào và ngõ ra đều bị giảm. Mạch khuếch đại không hồi tiếp: Mạch vào được xác định bằng cách nối tắt nút ra (V0 = 0) như vậy R’ nối từ cực B đến cực E của BJT. Mạch ngõ ra được xác định bằng cách nối tắt nút vào (vi = 0), như vậy R’ nối từ cực thu đến cực phát. Kết quả là mạch tương đương không hồi tiếp được vẽ lại ở hình 8.25b. Vì tín hiệu hồi tiếp là dòng điện, nguồn tín hiệu được biểu diễn bằng nguồn tương đương Norton với IS = vS /RS. Tín hiệu hồi tiếp là dòng điện If chạy qua điện trở R’ nằm trong mạch ngõ ra. Từ hình 8.25b: Ðiều này chứng tỏ rằng If tỉ lệ với v0 và tín hiệu lấy mẫu là điện thế. Với mạch khuếch đại có hồi tiếp ta có: Chú ý rằng điện trở truyền bằng lượng âm của điện trở hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào. Và nếu R’ là một điện trở ổn định thì điện trở truyền sẽ ổn định. Ðộ lợi điện thế với mạch hồi tiếp: Trương Văn Tám VIII-30 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG VIII ****** Bài 1: a/ Cho mạch điện như hình vẽ. Tìm điện thế xoay chiều vi (theo vS và vf). Giả sử mạch khuếch đại đảo có điện trở vào vô hạn và Transistor có các thông số β=100; phân cực với IC = 1.3mA Bài 2: Một mạch khuếch đại căn bản không hồi tiếp cho ngõ ra là 30v với 10% biến dạng họa tần bậc hai (second-harmonic distortion) khi ngõ vào ở 0.025v. a/ Nếu 1.5% ngõ ra được hồi tiếp về ngõ vào bằng mạch khuếch đại hồi tiếp âm điện thế nối tiếp thì điện thế ngõ ra như thế nào? b/ Nếu ngõ ra vẫn giữ ở 30v, nhưng họa tần bậc 2 giảm còn 1% thì điện thế ngõ vào là bao nhiêu? Bài 3: Một mạch khuếch đại có hồi tiếp như hình sau dùng 2 transistor có β = 100; phân cực với dòng IC = 1mA. Các tụ điện xem như nối tắt ở tần số của tín hiệu. Trương Văn Tám VIII-31 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Bài 4: Trong mạch khuếch đại hồi tiếp sau, transistor có các thông số β=100, phân cực với IC =1.3mA. Bỏ qua điều kiện phân cực. Bài 5: Transistor trong mạch có các thông số β=100; phân cực với IC=1.3mA. Tính: Trương Văn Tám VIII-32 Mạch Điện Tử Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp Bài 6: Transistor trong mạch có các thông số β=100, phân cực với IC=1.3mA. a/ Với RE = 0. Xác định: RMf = V0/IS; AVf=V0/VS, trong đó IS=VS/RS Rif, R’0f b/ Lập lại bài toán với RE=0.5k Trương Văn Tám VIII-33 Mạch Điện Tử